不同規(guī)范土的含水率試驗(yàn)方法比較與分析

王協(xié)群 周琪 周申培 黃珍

摘 ?要 土的含水率試驗(yàn)是一項(xiàng)最基本的土的物理性質(zhì)試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)方法較多。對(duì)國(guó)外應(yīng)用較多的美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)國(guó)標(biāo)（GB）及兩種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JTG和DL）中關(guān)于含水率的試驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比分析，找出國(guó)內(nèi)外規(guī)范以及國(guó)內(nèi)不同行業(yè)規(guī)范之間的異同，使學(xué)生了解不同規(guī)范間的差別，并為土木工程從業(yè)人員結(jié)合實(shí)際工程情況選擇合適的試驗(yàn)方法提供參考。

關(guān)鍵詞 土的含水率試驗(yàn);試驗(yàn)儀器;烘干法;酒精燃燒法;比重法;炒干法;微波爐法

中圖分類號(hào)：G642 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）20-0117-03

Abstract Soil moisture content test is a basic geotechnical test， which has various test methods at home and abroad. The moisture content test methods in the standard of American Society for Testing and Materials （ASTM） which is widely used abroad and the national standard （GB） and two industry standards （JTG and DL） in China areselected to introduce and compare. To find out the similarities and?differences between domestic and foreign codes and codes of diffe-rent industries， so that university students can understand the diffe-rences between different codes， and provide references for civil engi-neering practitioners to choose appropriate test methods based on actual engineering conditions.

Key words soil moisture content testt; drying method; alcohol bur-ning method; specific gravity method; fried dry method; microwave oven method

1 前言

土的含水率是指土中水的質(zhì)量與土固體顆粒質(zhì)量的比值，以百分?jǐn)?shù)表示[1]。它是研究土的物理力學(xué)性能必不可少的一項(xiàng)指標(biāo)。含水率的變化將引起土的干濕、輕重、軟硬、疏密等狀態(tài)的改變，對(duì)土的工程性質(zhì)影響很大。

通過試驗(yàn)測(cè)定土的天然含水率，并配合其他試驗(yàn)指標(biāo)，可以計(jì)算土的孔隙比、孔隙率及飽和度等間接指標(biāo)。我國(guó)常用烘干法和酒精燃燒法來測(cè)定含水率，國(guó)外常用電熱烘箱或微波爐來測(cè)定，這些實(shí)驗(yàn)方法或多或少存在某些不足。例如，烘干法耗時(shí)較久，酒精燃燒法對(duì)一些有機(jī)質(zhì)含量較高的土測(cè)定結(jié)果又有較大偏差，等等。在實(shí)際工程中，根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的不同，可能需要選擇不同的實(shí)驗(yàn)方案。因此，對(duì)于土木工程行業(yè)人員來說，除了了解國(guó)內(nèi)外多種含水率的試驗(yàn)方法以外，還應(yīng)了解其相互之間的異同，以便在工程中根據(jù)實(shí)際工程情況選擇合適的試驗(yàn)方法，準(zhǔn)確快速地測(cè)定出含水率，滿足不同工程要求。

本文選取我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[2]（以下簡(jiǎn)稱“國(guó)標(biāo)”）和兩種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，分別是JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[3]（以下簡(jiǎn)稱“公路標(biāo)準(zhǔn)”）、DL/T 5355—2006《水電水利工程土工試驗(yàn)規(guī)程》[4]（以下簡(jiǎn)稱“水電水利標(biāo)準(zhǔn)”），以及在國(guó)外應(yīng)用較多的美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)（American Society for Testingand Materials）的規(guī)范ASTM D2216-10《實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土和巖石的含水率的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》[5]（以下簡(jiǎn)稱“美標(biāo)”），列出其中提出的土的含水率試驗(yàn)方法并加以對(duì)比分析，分別從測(cè)定含水率的試驗(yàn)方法、標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)法在不同規(guī)范中的差異、中美快速試驗(yàn)法介紹及對(duì)比、常用含水率試驗(yàn)方法對(duì)比等方面進(jìn)行具體闡述。

2 含水率試驗(yàn)方法種類

現(xiàn)階段測(cè)定含水率的試驗(yàn)方法總體分為兩類：標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)法和快速試驗(yàn)法。在我國(guó)規(guī)范中，對(duì)于測(cè)定土的含水率，國(guó)標(biāo)中提出用烘干法;公路標(biāo)準(zhǔn)中提出三種方法，分別是烘干法、酒精燃燒法和比重法;水電水利標(biāo)準(zhǔn)中提出三種方法，分別是烘干法、酒精燃燒法和炒干法。美標(biāo)中提出烘干法、微波爐法、電石氣壓測(cè)試儀法和直接加熱法。其中，烘干法即為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)法，而酒精燃燒法、比重法、炒干法、微波爐法、電石氣壓測(cè)試儀法和直接加熱法均屬于快速試驗(yàn)法。

3 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)法在中美規(guī)范中的差異

四種規(guī)范中均提出一種標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)法——烘干法——來測(cè)定含水率。國(guó)標(biāo)中試驗(yàn)步驟簡(jiǎn)述為：取具有代表性試樣15～30 g，在105～110 ℃的恒溫下烘至恒量。但幾種規(guī)范中對(duì)烘干法的試驗(yàn)要求在細(xì)節(jié)上有所不同。

對(duì)所取試樣質(zhì)量的規(guī)定不同 ?國(guó)標(biāo)中規(guī)定取細(xì)粒土15～30 g，有機(jī)質(zhì)土、砂類土和整體狀構(gòu)造凍土為50 g;公路標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定取細(xì)粒土15～30 g，砂類土、有機(jī)質(zhì)土為50 g，砂礫石為1～2 kg;水電水利標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定取細(xì)粒土15～30 g，砂類土100～500 g，礫類土2000～5000 g。而美標(biāo)中取樣規(guī)定如表1所示，按試驗(yàn)精度要求不同，規(guī)定所取試樣質(zhì)量更具體。

對(duì)烘干溫度的規(guī)定不同 ?對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量不超過5%的土樣，我國(guó)規(guī)范中均規(guī)定在105～110 ℃的恒溫下烘至恒重;美標(biāo)中規(guī)定溫度應(yīng)保持在110±5 ℃。對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量超過5%的土，國(guó)標(biāo)中規(guī)定在65～70 ℃下烘至恒量，而公路標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定應(yīng)將溫度控制在60～70 ℃的恒溫下，干燥12～15 h為好。

對(duì)含水率測(cè)定的允許平行差值的規(guī)定不同 ?我國(guó)規(guī)范均規(guī)定該試驗(yàn)必須對(duì)兩個(gè)試樣進(jìn)行平行測(cè)定，取其算術(shù)平均值。且規(guī)定測(cè)定的差值為：當(dāng)含水率小于40%時(shí)為1%，當(dāng)含水率大于等于40%時(shí)為2%。另外，國(guó)標(biāo)和公路標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，對(duì)層狀和網(wǎng)狀構(gòu)造的凍土，測(cè)量差值不大于3%，而水電水利標(biāo)準(zhǔn)中無(wú)此規(guī)定。公路標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定對(duì)于含水量小于5%的土樣，兩次試驗(yàn)的允許平行差值為0.3%，這在國(guó)標(biāo)和水電水利標(biāo)準(zhǔn)中也未提及。

對(duì)稱量精度的規(guī)定不同 ?規(guī)范中均提出“將稱量盒從烘箱中取出，蓋上盒蓋，放入干燥容器中冷卻至室溫后，稱盒加干土質(zhì)量”。水電水利標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定細(xì)粒類土稱量精確至0.01 g，砂類土稱量精確至0.1 g，礫類土稱量精確至1 g，而國(guó)標(biāo)和公路標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定一律稱量準(zhǔn)確至0.01 g。

4 快速試驗(yàn)法在中美規(guī)范中的差異

國(guó)標(biāo)、公路標(biāo)準(zhǔn)、水電水利標(biāo)準(zhǔn)中提供了三種常用的快速測(cè)定土的含水率的試驗(yàn)方法，分別為酒精燃燒法、炒干法、比重法。其中炒干法適用于砂性土及含砂較多的松散土質(zhì)，在水電水利標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定為最大粒徑不大于60 mm的粗粒類土;比重法適用于砂類土。美標(biāo)中也提出三種快速試驗(yàn)法，分別為微波爐法、直接加熱法、電石氣壓測(cè)試儀法。其中用微波爐法測(cè)定土中含水率的試驗(yàn)研究，在國(guó)外20世紀(jì)70年代初就已經(jīng)開始，并于1987年正式列入美國(guó)ASTM D4643-87標(biāo)準(zhǔn)[6]。微波爐法是利用超高頻電磁波對(duì)土樣進(jìn)行微波作用，使土樣中的水分子在微波場(chǎng)作用下不斷地快速排列和換向，土樣內(nèi)部溫度升高，從而使水分不斷蒸發(fā)，并以此來確定土樣含水率[7]。電石氣壓測(cè)試儀法在國(guó)外不常使用。

取樣的對(duì)比 ?針對(duì)以上五種常用快速試驗(yàn)法，不同方法取樣規(guī)定不同，具體對(duì)比如表2所示。

試驗(yàn)方法的對(duì)比 ?中美對(duì)采用快速試驗(yàn)法測(cè)定土的含水率時(shí)，由于不同方法的試驗(yàn)儀器與適用土樣均有所不同，因此，試驗(yàn)方法與過程存在差異。

1）酒精燃燒法：取代表性的試樣放入稱量盒內(nèi)，用滴管將酒精注入稱量盒中，直至盒中出現(xiàn)自由液面并使酒精和試樣充分混合均勻;點(diǎn)燃盒中酒精，燒至火焰熄滅;試樣冷卻后再重復(fù)燃燒兩次[3]。

2）炒干法：按試樣的粒徑范圍取代表性試樣，將試樣放于金屬容器中并置于熱源上炒干;在炒干過程中隨時(shí)翻拌試樣，至試樣表面完全干燥后，繼續(xù)炒數(shù)分鐘停止[4]。

3）比重法：取代表性砂類土試樣200～300 g，放入土樣盤內(nèi);向玻璃瓶中注入清水至1/3左右，然后用漏斗將土樣盤內(nèi)的試樣倒入瓶中，并用玻璃棒攪拌1～2 min，直到所含氣體完全排出為止;向瓶中加清水至全部充滿，靜置1 min后用吸水球吸去泡沫，再加清水使其充滿，蓋上玻璃片，擦干瓶外壁，稱質(zhì)量;倒去瓶中混合液，洗凈，再向瓶中加清水至全部充滿，蓋上玻璃片，擦干瓶外壁，稱質(zhì)量，準(zhǔn)確至0.5 g[3]。

4）微波爐法：取代表性試樣放置于可微波加熱的容器中，在微波爐中加熱至恒重。

5）直接加熱法：與酒精燃燒法類似，但美標(biāo)中規(guī)定熱源溫度要達(dá)到110 ℃及以上。

此外，美標(biāo)中提到的電石氣壓測(cè)試儀法在我國(guó)規(guī)范中也曾提過，如公路標(biāo)準(zhǔn)中曾經(jīng)提過類似的方法——碳化鈣氣壓法。但由于現(xiàn)在用酒精燃燒法可完全替代該方法，且酒精資源豐富，更具備現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件，因此，現(xiàn)在我國(guó)規(guī)范中已取消碳化鈣氣壓法作為含水率的試驗(yàn)方法[3]。

5 討論

中美含水率快速試驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn) ?在所有快速試驗(yàn)法中，我國(guó)最常采用的是酒精燃燒法，而美國(guó)最常采用的是微波爐法。

1）采用酒精燃燒法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，燃燒時(shí)間長(zhǎng)，不易觀察火苗，酒精燃燒產(chǎn)生的水蒸氣又可能被土樣吸收，使含水率不易測(cè)準(zhǔn)[7]。且溫度無(wú)法控制在105～110 ℃，這是因?yàn)榫凭_始燃燒時(shí)即氣化，酒精的氣體部分構(gòu)成火焰的焰心，與土樣一般保持2～3 cm的距離，實(shí)際上土樣受到的溫度僅在70～80 ℃;待火焰將熄滅的幾秒鐘才與土面接觸，此時(shí)土的溫度上升至200～220 ℃。

2）采用微波爐法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，由于微波具有一定的穿透深度，使被加熱物體里外同時(shí)加熱，因此土樣受熱均勻。且一批試樣一般只需幾分鐘即可烘干，可大大節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間。又因?yàn)樵谖⒉t法中，當(dāng)微波穿過含水土樣時(shí)，水對(duì)微波能優(yōu)先吸附，而土顆粒對(duì)微波能吸收很小，這使土中有機(jī)質(zhì)在干燥過程中損失很小，從而使測(cè)得含水率更加接近真實(shí)值。

3）張虎元[8]等選擇遺址土、含鹽土、黃土等進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，并將用微波爐法、烘箱法兩種方法測(cè)定的土的含水率作誤差分析，發(fā)現(xiàn)微波爐法測(cè)定結(jié)果能滿足土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)誤差小于2%的要求，且具有體積小、重量輕、測(cè)量時(shí)間快速等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中占優(yōu)勢(shì)。

4）曹輝亮[7]在實(shí)驗(yàn)室分別用烘干法、酒精燃燒法和微波法對(duì)同一土樣進(jìn)行平行試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用酒精燃燒法測(cè)出的結(jié)果與用標(biāo)準(zhǔn)烘干法測(cè)出的結(jié)果偏差較大，而用微波法測(cè)出的含水率與烘干法得到的含水率相近。因此，在需要快速測(cè)定含水率時(shí)，選用微波法更為合適。

中美常用含水率試驗(yàn)方法的對(duì)比 ?選取中美規(guī)范中提出的幾種常用的含水率試驗(yàn)方法，分別從適用土樣、所需主要設(shè)備、試驗(yàn)中能否控制溫度、試驗(yàn)的準(zhǔn)確度以及含水率計(jì)算公式這幾個(gè)方面加以對(duì)比分析，結(jié)果如表3所示。

6 結(jié)語(yǔ)

本文在介紹國(guó)內(nèi)外規(guī)范關(guān)于測(cè)定土中含水率試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，分析不同規(guī)范方法的相同點(diǎn)和差異所在，可以得到如下結(jié)論。

1）測(cè)定同一項(xiàng)指標(biāo)的試驗(yàn)方法有多種，不同國(guó)家根據(jù)常用設(shè)備的不同，規(guī)范中的方法是有所差別的;即使同一國(guó)家，不同工程行業(yè)間的規(guī)范方法也存有差異。

2）對(duì)于同一指標(biāo)，選用不同試驗(yàn)方法測(cè)得的結(jié)果可能相差較大，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇最為合適的試驗(yàn)方法。因此，了解不同試驗(yàn)方法，正確使用規(guī)范，是對(duì)每個(gè)巖土技術(shù)人員的基本要求。

3）應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)學(xué)生嘗試不同規(guī)范中提出的試驗(yàn)方法，可以激發(fā)他們學(xué)習(xí)探究科學(xué)的興趣。同時(shí)，要求教師不應(yīng)只擅長(zhǎng)本專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)，對(duì)相關(guān)專業(yè)的知識(shí)和規(guī)范也要有所了解，從而引導(dǎo)學(xué)生去關(guān)注行業(yè)間規(guī)范和國(guó)內(nèi)外規(guī)范間的差異。

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